Основные понятия Microsoft .NET

Microsoft .NET – платформа или среда, обеспечивающая выполнение программного кода.

.NET Framework – инфраструктура платформы Microsoft .NET, определяющая особенности разработки и выполнения программного кода на данной платформе. Предполагает наличие средств организации взаимодействия с операционной системой и прикладными программами. Включает следующие основные компоненты: Common Language Runtime (CLR) и .NET Framework Class Library (.NET FCL).

CLS (Common Language Specification) – общая спецификация языков программирования. Это набор конструкций и ограничений, которые являются руководством для создателей библиотек и компиляторов в среде .NET Framework. Библиотеки, построенные в соответствии с CLS, могут быть использованы из любого языка программирования, поддерживающего CLS. Языки, соответствующие CLS (к их числу относятся языки Visual C#, Visual Basic, Visual C++), могут интегрироваться друг с другом. CLS – это основа межъязыкового взаимодействия в рамках платформы Microsoft .NET.

CLR (Common Language Runtime) – Среда Времени Выполнения или Виртуальная Машина. Обеспечивает выполнение сборки. Основной компонент .NET Framework. Под Виртуальной Машиной понимают абстракцию инкапсулированной (обособленной) управляемой операционной системы высокого уровня, которая обеспечивает выполнение (управляемого) программного кода.

Управляемый код – программный код, который при своем выполнении способен использовать службы, предоставляемые CLR. Соответственно, неуправляемый код подобной способностью не обладает. Об особенностях управляемого кода можно судить по перечню задач, решение которых возлагается на CLR:

• Управление кодом (загрузка и выполнение).
• Управление памятью при размещении объектов.
• Изоляция памяти приложений.
• Проверка безопасности кода.
• Преобразование промежуточного языка в машинный код.
• Доступ к метаданным (расширенная информация о типах).
• Обработка исключений, включая межъязыковые исключения.
• Взаимодействие между управляемым и неуправляемым кодами (в том числе и COM-объектами).
• Поддержка сервисов для разработки (профилирование, отладка и т.д.).

Короче, CLR – это набор служб, необходимых для выполнения управляемого кода.

Сама CLR состоит из двух главных компонентов: ядра (mscoree.dll) и библиотеки базовых классов (mscorlib.dll). Наличие этих файлов на диске – верный признак того, что на компьютере, по крайней мере, была предпринята попытка установки платформы .NET.

Ядро среды выполнения реализовано в виде библиотеки mscoree.dll. При компоновке сборки в нее встраивается специальная информация, которая при запуске приложения (EXE) или при загрузке библиотеки (обращение к DLL из неуправляемого модуля – вызов функции LoadLibrary для загрузки управляемой сборки) приводит к загрузке и инициализации CLR. После загрузки CLR в адресное пространство процесса, ядро среды выполнения производит следующие действия:

• находит расположение сборки;
• загружает сборку в память;
• производит анализ содержимого сборки (выявляет классы, структуры, интерфейсы);
• производит анализ метаданных;
• обеспечивает компиляцию кода на промежуточном языке (IL) в платформозависимые инструкции (ассемблерный код);
• выполняет проверки, связанные с обеспечением безопасности;
• используя основной поток приложения, передает управление преобразованному в команды процессора фрагменту кода сборки.

FCL (.NET Framework Class Library) – соответствующая CLS-спецификации объектно-ориентированная библиотека классов, интерфейсов и системы типов (типов-значений), которые включаются в состав платформы Microsoft .NET.

Эта библиотека обеспечивает доступ к функциональным возможностям системы и предназначена служить основой при разработке .NET-приложений, компонент, элементов управления.

.NET библиотека классов является вторым компонентом CLR.

.NET FCL могут использовать все .NET-приложения, независимо от назначения архитектуры используемого при разработке языка программирования, и в частности:

• встроенные (элементарные) типы, представленные в виде классов (на платформе .NET все построено на структурах или классах);
• классы для разработки графического пользовательского интерфейса (Windows Forms);
• классы для разработки web-приложений и web-служб на основе технологии ASP.NET (Web Forms);
• классы для разработки XML и Internet-протоколов (FTP, HTTP, SMTP, SOAP);
• классы для разработки приложений, работающих с базами данных (ADO .NET) и многое другое.

.NET-приложение – приложение, разработанное для выполнения на платформе Microsoft .NET. Реализуется на языках программирования, соответствующих CLS.

MSIL (Microsoft Intermediate Language) – промежуточный язык платформы Microsoft .NET. Исходные тексты программ для .NET-приложений пишутся на языках программирования, соответствующих спецификации CLS. Для таких языков может быть построен преобразователь в MSIL. Таким образом, программы на этих языках могут транслироваться в промежуточный код на MSIL. Благодаря соответствию CLS, в результате трансляции программного кода, написанного на разных языках, получается совместимый IL-код.

Фактически MSIL является ассемблером виртуального процессора.

МЕТАДАННЫЕ – при преобразовании программного кода в MSIL также формируется блок МЕТАДАННЫХ, который содержит информацию о данных, используемых в программе. Фактически это наборы таблиц, которые включают в себя информацию о типах данных, определяемых в модуле (о типах данных, на которые ссылается данный модуль). Ранее такая информация сохранялась отдельно. Например, приложение могло включать информацию об интерфейсах, которая описывалась на Interface Definition Language (IDL). Теперь метаданные являются частью управляемого модуля.

В частности, метаданные используются для:

• сохранения информации о типах. При компиляции теперь не требуются заголовочные и библиотечные файлы. Всю необходимую информацию компилятор читает непосредственно из управляемых модулей;
• верификации кода в процессе выполнения модуля;
• управления динамической памятью (освобождение памяти) в процессе выполнения модуля;
• обеспечения динамической подсказки (IntelliSence) при разработке программы стандартными инструментальными средствами (Microsoft Visual Studio .NET) на основе метаданных.

Языки, для которых реализован перевод на MSIL:

• Visual Basic,
• Visual C++,
• Visual C# 2.0,

и еще много других языков.

Исполняемый модуль – независимо от компилятора (и входного языка) результатом трансляции .NET-приложения является управляемый исполняемый модуль (управляемый модуль). Это стандартный переносимый исполняемый (PE – Portable Executable) файл Windows.

Элементы управляемого модуля представлены в таблице.

Управляемый модуль содержит управляемый код.

Управляемый код – это код, который выполняется в среде CLR. Код строится на основе объявляемых в исходном модуле структур и классов, содержащих объявления методов. Управляемому коду должен соответствовать определенный уровень информации (метаданных) для среды выполнения. Код C#, Visual Basic, и JScript является управляемым по умолчанию. Код Visual C++ не является управляемым по умолчанию, но компилятор может создавать управляемый код, для этого нужно указать аргумент в командной строке(/CLR). Одной из особенностей управляемого кода является наличие механизмов, которые позволяют работать с управляемыми данными.

Управляемые данные – объекты, которые в ходе выполнения кода модуля размещаются в управляемой памяти (в управляемой куче) и уничтожаются сборщиком мусора CLR. Данные C#, Visual Basic и JScript .NET являются управляемыми по умолчанию. Данные C# также могут быть помечены как неуправляемые.

Сборка (Assembly) – базовый строительный блок приложения в .NET Framework. Управляемые модули объединяются в сборки. Сборка является логической группировкой одного или нескольких управляемых модулей или файлов ресурсов. Управляемые модули в составе сборок исполняются в Среде Времени Выполнения (CLR). Сборка может быть либо исполняемым приложением (при этом она размещается в файле с расширением .exe), либо библиотечным модулем (в файле с расширением .dll). При этом ничего общего с обычными (старого образца!) исполняемыми приложениями и библиотечными модулями сборка не имеет.

Декларация сборки (Manifest) – составная часть сборки. Это еще один набор таблиц метаданных, который:

• идентифицирует сборку в виде текстового имени, ее версию, культуру и цифровую сигнатуру (если сборка распределяется среди приложений);
• определяет входящие в состав файлы (по имени и хэшу);
• указывает типы и ресурсы, существующие в сборке, включая описание тех, которые экспортируются из сборки;
• перечисляет зависимости от других сборок;
• указывает набор прав, необходимых сборке для корректной работы.

Эта информация используется в период выполнения для поддержки корректной работы приложения.

Процессор не может выполнять IL-код. Перевод IL-кода осуществляется JIT-компилятором (Just In Time – в нужный момент), который активизируется CLR по мере необходимости и выполняется процессором. При этом результаты деятельности JIT-компилятора сохраняются в оперативной памяти. Между фрагментом оттранслированного IL-кода и соответствующим блоком памяти устанавливается соответствие, которое в дальнейшем позволяет CLR передавать управление командам процессора, записанным в этом блоке памяти, минуя повторное обращение к JIT-компилятору.

В среде CLR допускается совместная работа и взаимодействие компонентов программного обеспечения, реализованных на различных языках программирования.

На основе ранее сформированного блока метаданных CLR обеспечивает эффективное взаимодействие выполняемых .NET-приложений.

Для CLR все сборки одинаковы, независимо от того, на каких языках программирования они были написаны. Главное – это чтобы они соответствовали CLS. Фактически CLR разрушает границы языков программирования (cross-language interoperability). Таким образом, благодаря CLS и CTS, .NET-приложения оказываются приложениями на MSIL (IL).

CLR берет на себя решение многих проблем, которые традиционно находились в зоне особого внимания разработчиков приложений. К числу функций, выполняемых CLR, относятся:

• Проверка и динамическая (JIT) компиляция MSIL-кода в команды процессора.
• Управление памятью, процессами и потоками.
• Организация взаимодействия процессов.
• Решение проблем безопасности (в рамках существующей в системе политики безопасности).

Структура среды выполнения CLR (основные функциональные элементы среды) представлена на рисунке.

Строгий контроль типов, в частности, предполагает проверку соответствия типа объекта диапазону значений, которые могут быть присвоены данному объекту.

Защита .NET (безопасность) строится поверх системы защиты операционной системы компьютера. Она не дает пользователю или коду делать то, что делать не позволено, и накладывает ограничения на выполнение кода. Например, можно запретить доступ некоторым секциям кода к определенным файлам.

Функциональные блоки CLR Code Manager и Garbage Collector работают совместно: Code Manager обеспечивает размещение объектов в управляемой памяти, Garbage Collector – освобождает управляемую память.

Exception Manager включает следующие компоненты:

• finally handler (обеспечивает передачу управления в блок finally);
• fault handler (включается при возникновении исключения);
• type-filtered handler (обеспечивает выполнение кода соответствующего блока обработки исключения);
• user-filtered handler (выбор альтернативного блока исключения).

Ниже представлена схема выполнения .NET-приложения в среде CLR.

AppDomain (домен приложения) – это логический контейнер сборок, который используется для изоляции приложения в рамках адресного пространства процесса. Код, выполняемый в CLR (CLR-процесс), отделен от других процессов, выполняемых на компьютере в это же самое время. Обычный процесс запускается системой в рамках специально выделяемого процессу адресного пространства. CLR предоставляет возможность выполнения множества управляемых приложений в одном процессе. Каждое управляемое приложение связывается с собственным доменом приложения (сокращенно AppDomain). Все объекты, создаваемые приложением, создаются в рамках определенного домена приложения. Несколько доменов приложений могут существовать в одном процессе операционной системы. CLR изолирует приложения, управляя памятью в рамках домена приложения. В приложении, помимо основного домена, может быть создано несколько дополнительных доменов.

Свойства доменов:

• Домены изолированы друг от друга. Объекты, созданные в рамках одного домена, недоступны из другого домена.
• CLR способна выгружать домены вместе со всеми сборками, связанными с этими доменами.
• Возможна дополнительная конфигурация и защита доменов.
• Для обмена данными между доменами реализован специальный механизм безопасного доступа (маршалинг).
• В .NET Framework разработана собственная компонентная модель, элементами которой являются .NET-сборки (.NET-assembly), а для прямой и обратной совместимости с моделью COM/COM+ в CLR встроены механизмы (COM Interop), обеспечивающие доступ к COM-объектам по правилам .NET и к .NET-сборкам — по правилам COM. При этом для .NET-приложений не требуется регистрации компонентов в системном реестре Windows.

GAC (Global Assembly Cache – Общий кэш сборок). Для выполнения .NET-приложения достаточно разместить относящиеся к данному приложению сборки в одном каталоге. Если при этом сборка может быть использована в нескольких приложениях, то она размещается и регистрируется с помощью специальной утилиты в GAC.

CTS – Common Type System (Стандартная Система Типов). Поддерживается всеми языками платформы. В силу того, что .NET основана на парадигме ООП, речь здесь идет об элементарных типах, классах, структурах, интерфейсах, делегатах и перечислениях. Common Type System является важной частью среды выполнения, определяет структуру синтаксических конструкций, способы объявления, использования и применения общих типов среды выполнения. В CTS сосредоточена основная информация о системе общих предопределенных типов, об их использовании и управлении (правилах преобразования значений). CTS играет важную роль в деле интеграции разноязыких управляемых приложений.

Пространство имен – это способ организации системы типов в единую группу. В рамках .NET существует единая (общеязыковая) библиотека базовых классов. Концепция пространства имен обеспечивает эффективную организацию и навигацию по этой библиотеке. Вне зависимости от языка программирования, доступ к определенным классам обеспечивается за счет их группировки в рамках общих пространств имен.

Выполнение неуправляемых исполняемых модулей (обычные Windows-приложения) обеспечивается непосредственно системой Windows. Неуправляемые модули выполняются в среде Windows как "простые" процессы. Процесс характеризуется замкнутым адресным пространством. При этом необходимая для выполнения программы информация (данные) размещается в различных областях адресного пространства процесса, которые называются стеком и кучей. Эти области имеют различное назначение и механизмы управления.

Информация в стеке и куче представляется в виде последовательностей битов с четко определенными свойствами. Такие последовательности называются объектами. Множество неизменяемых свойств, которые могут служить для классификации различных объектов (количество байтов последовательности, формат представления информации в последовательности, операции, определенные над объектом), задают тип объекта.

Таким образом, при выполнении программы в стеке и куче размещаются объекты различных типов.

В стеке размещается информация, необходимая для выполнения программного кода (реализация механизма вызова функций, поддержка операторов управления, сохранение значений локальных переменных). Основным механизмом управления стеком является указатель стека. Освобождение стека происходит в результате перемещения указателя стека, которое связано с выполнением операторов программы.

В куче размещаются используемые в программе данные. Они структурированы и представлены объектами различных типов. Размещение объектов в куче происходит в результате выполнения специального оператора new. Основным механизмом управления кучи является сборщик мусора (Garbage Collector).

Ссылкой (ссылкой на объект) называется объект, который определен на множестве значений, представленных адресами оперативной памяти в рамках процесса. Если значением ссылки является адрес конкретного объекта, ссылка считается определенной. Ссылка на объект не определена, если ее значение не соответствует адресу какого-либо объекта. Неопределенное значение ссылки в программе кодируется специальным обозначением (null). Особых ограничений на месторасположение ссылки не существует. Ссылка может располагаться как в стеке, так и в куче.

Сборка мусора – механизм, позволяющий CLR определить, когда объект становится недоступен в управляемой памяти программы. При сборке мусора управляемая память освобождается. Для разработчика приложения наличие механизма сборки мусора означает, что он больше не должен заботиться об освобождении памяти. Однако это может потребовать изменения в стиле программирования, например, особое внимание следует уделять процедуре освобождения системных ресурсов. Необходимо реализовать методы, освобождающие системные ресурсы, находящиеся под управлением приложения.

Более подробные сведения можно найти на сайте Марченко А.Л. Введение в программирование на C# 2.0